急傾斜煤層長壁工作面采場圍巖破壞模式研究

趙 斌，趙善坤，李良暉，王 寅，，趙 陽

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京100083）

急傾斜煤層指的是傾角大于45°的一類煤層，是世界公認的難采煤層[1-6]。目前部分急傾斜煤層在開采過程中可以采用走向長壁綜采技術來進行開采，通常將工作面回風巷滯后運輸巷10～30 m，形成偽仰斜工作面，小角度的推移還可以避免工作面設備的下滑，從而實現該類煤層的安全高效開采。然而，偽仰斜開采過程中，采場空間呈現出上部區(qū)域＜中部區(qū)＜下部區(qū)域的非規(guī)則性，因此圍巖應力分布規(guī)律與破壞模式具有新的特點，針對這一點很多學者都進行了深入的研究。楊勝利等[4-7]結合大采高、仰斜、偽俯斜工作面等條件，建立了煤壁破壞的力學模型，定義了穩(wěn)定性系數，并對影響因素進行敏感度分析，提出了煤壁破壞的失穩(wěn)機理；伍永平等[8-13]通過對急傾斜煤層工作面覆巖的變形特征進行研究，提出了頂板應力分布的不規(guī)則形，并且認為頂板破斷后會形成不同種類的穩(wěn)定結構；解盤石等[14]分析了大傾角煤層煤壁的失穩(wěn)機理，提出了防治煤壁片幫的綜合技術；平壽康教授課題組[15-20]研究了工作面采用偽傾斜布置方式下圍巖的破斷規(guī)律，并且提出了防治技術。綜上所述，現有的研究成果多以圍巖破壞影響因素、機理、類型及常規(guī)防治措施為主，尚未涉及1 種系統(tǒng)的分析煤壁滑移破壞的方法，同時在實驗過程中忽略了傾角下滑力的影響。為此，借助改進的底摩擦實驗平臺，研究了煤體在傾角下滑力影響下的破壞模式，基于圓弧滑面準則，采用瑞典條分法求解了煤體滑移危險性的臨界表達式，并提出了“棕繩+環(huán)形注漿管+漿液”三位一體的新型柔性加固技術。

1 相似模擬試驗

1.1 試驗原理

急傾斜煤層開采條件下，大的傾角會使煤體自身重力和頂板壓力沿傾向分解形成下滑力，從根本上弱化煤壁的穩(wěn)定性，煤壁則會在下滑力的作用下發(fā)生破壞。前期結合底摩擦實驗系統(tǒng)，分析了偽俯斜工作面采場圍巖的破壞模式，提出防治措施[5]。

底摩擦實驗是利用摩擦力在摩擦方向上的分布與重力場相似的性質，通過模型和底面之間的摩擦力來模擬模型的重力。將制作好的模型平行鋪在實驗臺上，隨著輸送帶的連續(xù)轉動，兩者之間將會構成相對運動，底面就會受到摩擦力作用，由于模型厚度較小，可假設受到的摩擦力近似作用在模型的水平中心層上，以模擬整個變形過程模型受到的水平力F，本次試驗中代表下滑力。

式中：F 為模型受到的水平力，N；ρ 為材料密度，t/m3；g 為重力加速度，m/s2；d 為材料厚度，m；μ為模型與輸送帶之間的動摩擦系數。

本次試驗通過控制滾筒的轉速來模擬不同煤層傾角產生的下滑力，研究煤體在下滑力作用下的破壞程度、破壞區(qū)域以及破壞形式。

1.2 試驗結果分析

在下滑力的作用下，工作面中上部位置煤壁率先沿著工作面傾向方向產生微小裂隙，隨著膠帶的連續(xù)轉動，裂隙在煤壁發(fā)育貫通，裂隙附近煤體承載能力迅速減弱，隨后出現大面積的滑塌現象，并且破壞的煤體在自重作用下迅速向采空區(qū)滾動，對采區(qū)下部區(qū)域造成動載沖擊作用，并在采空區(qū)下部位置進行不同程度的堆積，而工作面下部區(qū)域由于煤體有限的下滑空間，其穩(wěn)定性沒有迅速減弱，破壞相對上部區(qū)域比較滯后，破壞范圍也相對較小，最終發(fā)生煤壁片幫，產生大的片幫體。試驗結果如圖1。

圖1 試驗結果Fig.1 Experimental results

綜上，偽仰斜工作面開采時，采區(qū)空間呈現出上部區(qū)域＜中部區(qū)域＜下部區(qū)域的非對稱特點，大的傾角使得煤壁承受的下滑分力大于垂直分力，而煤體受力面積往下依次減小，下部煤體對上部煤體的承載能力依次減弱，使工作面中上部煤壁率先發(fā)生破壞，破壞的煤體沿著不同軌跡向工作面下部區(qū)域滾落，容易對工作面下部區(qū)域及采空區(qū)造成動載沖擊。

1.3 理論分析

通過底摩擦試驗，可以發(fā)現破壞的煤體呈條柱狀滑落，假設煤體破壞面是1 個圓弧滑面，參照費勒紐斯法[21-22]，將煤體條帶化，分解成若干個小條帶，定義小條帶的穩(wěn)定性系數為抗滑力與下滑力的比值，取第n 個小條帶進行受力分析。條帶受力示意圖如圖2。

圖2 條帶受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of the force on the strip

由圖2 可知，小條帶的極限抗滑力矩為：

式中：MR為抗滑力矩，N·m；R 為抗滑力，N；r 為圓弧滑面半徑，m；β 為條帶滑面傾角，（°）；L 為滑面的長度，m；c 為煤體黏聚力，MPa；φ 為煤體內摩擦角，（°）；W 為條帶重力和頂板分力的復合力，N；S 為支撐力，N。

小條帶的滑動力矩為：

式中：MT為滑動力矩，N·m；a 為滑移破壞深度，m。

根據式（2）和式（3），求得小條帶穩(wěn)定性系數：

式中：Fs為條帶穩(wěn)定性系數。

通過對小條帶進行累加求和，求得煤體的穩(wěn)定性系數為：

式中：βi為第i 個條帶滑面傾角，（°）；Wi為第i個條帶重力和頂板分力的復合力，N；Si為第i 個條帶支撐力，N；Li為第i 個條帶滑面的長度，m。

通過對穩(wěn)定性系數進行求解，發(fā)現穩(wěn)定性系數與煤體自身的重力、頂板壓力、底板支撐力、破壞面的長度以及黏聚力相關，生產實踐中可以通過控制采高、提升支架初撐力、調節(jié)底板比壓以及通過往煤壁破碎帶或裂隙注入膠結材料等控制煤壁穩(wěn)定性。

2 數值模擬

2.1 計算模型

以新疆艾維爾溝煤礦25221 工作面為工程背景，工作面長約110 m，煤層平均厚度約5 m，傾角約45°，平均密度1.4 t/m3，煤的硬度系數0.9。

設計模型尺寸長150 m（x 方向）、寬300 m（y 方向）、高260 m（z 方向），模型開挖前經過初始平衡計算，確保模型處于原巖應力狀態(tài)。數值計算模型如圖3。

沿煤層頂底板各布置2 條測線，每條測線監(jiān)測3 個測點。測線1 各個測點的坐標為：測點11（40，60，162）、 測 點12 （40，80，162）、 測 點13（40，120，162）；測線2 各個測點的坐標為：測點21（100，60，92）、 測 點22 （100，80，92）、 測 點23（100，140，92）；測線3 各個測點的坐標為：測點31（40，60，142）、 測 點32 （40，80，142）、 測 點33（40，140，142）；測線4 各個測點的坐標為測點41（100，100，82）、測 點42 （100，120，82）、測 點43（100，140，82）。頂底板位移監(jiān)測結果如圖4 和圖5。

圖3 數值計算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the initial model

圖4 頂板位移監(jiān)測結果Fig.4 Roof displacement monitoring results

圖5 底板位移監(jiān)測結果Fig.5 Floor displacement monitoring results

2.2 模擬結果分析

由圖4 可知，偽仰斜工作面在開采過程中，頂板下沉量的最大區(qū)域位于工作面的中上部位置。當工作面推進200 m 時，各個測點變形量均達到最大值，沿x 方向測線1 上3 個測點變形量為57.6、64、10.1 mm，測線2 上3 個測點變形量達到10.4、22、23.5 mm，相對小于測線1 的變形量；沿y 方向測點11、測點12、測點13 變形量分別達到0.1、1.93、33.4 mm，而測點21、測點22、測點23 則分別達到了28、19.4、9.7 mm，沿z 方向測線1 上3 個測點變形量達到740、760、387 mm，測線2 上3 個測點變形量達到790、843、851 mm。

由圖5 可知，偽仰斜工作面底板2 條測線變化趨勢基本一致，工作面開采50 m 時，底板發(fā)生一定的變形量，此時沿著不同方向底板的變形量相對較小，從50 m 開始，底板逐漸產生底鼓現象，發(fā)生破壞。當工作面推進200 m 時，變形量基本達到最大值，此時沿x 方向測線3 上3 個測點的變形量達到95.3、118、124 mm，測線4 上3 個測點變形量達到24.6、27.5、30.9 mm，遠小于前者，沿y 方向相差不大，沿z 方向測線3 上3 個測點變形量達到163、130、112 mm，而測線4 中3 個測點變形量達到52、41.5、40.3 mm，僅達到測線3 的1/4 左右。

綜上所述，工作面開采過程中底板上部區(qū)域容易發(fā)生底鼓現象，進而產生滑移破壞，是采場圍巖控制的重點區(qū)域。

工作面在開采過程中，頂底板應力分布沿不同方向具有不同的分布特征，沿傾向呈長條形橢圓分布，主要集中在工作面中上部位置，基本上以拉應力為主，沿走向以半圓拱形狀由低位巖層向高位巖層延伸，整體以壓應力為主，但是局部區(qū)域出現拉應力集中現象。應力的非對稱分布造成圍巖受力不均，致使工作面中上部區(qū)域頂底板破壞嚴重。頂底板破壞情況如圖6。

圖6 頂底板破壞情況Fig.6 The destruction of the top and bottom plates

綜上所述，在開采過程中工作面中上部位置由于應力集中，頂板會發(fā)生破斷下沉，底板鼓起滑移，并對其中間的煤體產生一定的擠壓作用，弱化煤體的穩(wěn)定性，促使煤體發(fā)生破壞，與前文的底摩擦實驗結果基本照應。

3 預防措施

急傾斜煤層開采過程中，當煤層傾角增加到一定程度時，工作面底板對采場圍巖穩(wěn)定性往往起到主導作用，一般通過研發(fā)工作面專用配套設備來控制圍巖穩(wěn)定，同時配合課題組自主研發(fā)的“棕繩+環(huán)形注漿管+漿液”新型柔性加固技術對工作面頂板和煤壁進行加固，以便達到最佳效果，對于工作面底板滑移事故，可以在開切眼布置底板鉆孔配合高強錨桿和菱形金屬網來進行加固[5]。

柔性加固示意圖如圖7，鉆機垂直煤壁打孔，將棕繩和環(huán)形注漿管捆綁后送入鉆孔，注漿管管壁設置一定數量的注漿孔，采用馬麗散等漿液材料進行加固，注漿壓力約為1～2 MPa；最后用封孔器將孔口堵嚴。該技術在趙固二礦、山西瑞隆礦以及大遠煤業(yè)均取得了良好的工業(yè)性成果。

圖7 柔性加固示意圖Fig.7 Flexible reinforcement

4 結 論

1）采用底摩擦實驗模擬煤體在下滑力作用下的破壞情況，結果表明工作面中上部位置容易發(fā)生煤壁片幫、飛濺等現象，破壞的煤體沿著不同軌跡向工作面下方及采空區(qū)滾落，會對工作面下方造成一定的沖擊破壞作用，是采場圍巖控制的重點區(qū)域，可以配合“棕繩+環(huán)形注漿管+漿液”柔性加固技術來提高煤壁的穩(wěn)定性。

2）定義了煤體的穩(wěn)定性系數，參照費勒紐斯法對穩(wěn)定性系數進行求解，發(fā)現穩(wěn)定性系數與煤體自身的重力、頂板壓力、底板支撐力、破壞面的長度以及黏聚力息息相關，現場生產中可以通過對工作面采高、支架初撐力、底板比壓等因素進行調節(jié)來控制煤體的穩(wěn)定性，為防治煤體破壞提供理論指導。

3）開采過程中工作面頂底板應力分布具有明顯的不對稱性，沿工作面傾向，垂直應力以長條形半圓拱狀向外擴散，沿工作面走向則呈駝峰狀，并以圓盤形向高位巖層擴散，整體上工作面頂底板中上方應力相對比較集中，易發(fā)生破壞。

4）急傾斜煤層底板的穩(wěn)定性在很大程度上決定了采場圍巖的穩(wěn)定性，工作面中上部位置頂底板的變形量相對較大，容易發(fā)生頂板破斷下沉和底板鼓起滑移等災害，同時頂板還會對其下部煤體產生一個傾向分力，弱化下部煤體的穩(wěn)定性，易誘發(fā)動載礦壓現象。